“终止子”认识误区辨析及教学建议

 

邱文欣　林晓彤　黄立华
华南师范大学生命科学学院

摘要：5个不同版本高中生物学教材对真核生物和原核生物转录终止的机制都以“终止子”一词笼统概括，这不仅使教师和学生产生“二者转录终止相同”的误解，还可能导致他们在构建基因表达载体时，对转录终止元件的取舍产生困惑与分歧。本文旨在厘清真核生物、原核生物转录终止机制的差异，并对相关教材编写与教学实践提出改进建议。

基因表达载体的构建是基因工程的重要内容，同时也是高考考查的重点。如考查“构建基因表达载体时目的基因的上下游所需元件”,大多数教师和学生会不假思索地填写“启动子和终止子”,但是由于原核生物与真核生物转录终止机制存在差异，“终止子”并非构建真核生物基因表达载体的必备元件。为帮助师生深入理解转录终止的机制，本文分析了真核和原核生物转录终止机制的差异，并对相关教学提出建议。

1 不同版本高中教材中对于“终止子”的相关描述

笔者对人教版、苏教版、北师大版、浙科版和沪科版5个高中生物学教材版本中提及“终止子”的相关内容进行整理。各教材在描述构建基因表达载体时，“终止子”均被列为不可或缺的元件之一。同时，教材对“终止子”的定义为：给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。

2 原核生物与真核生物转录终止的机制

转录终止是基因表达的关键步骤，指的是磷酸二酯键的合成停止，RNA-DNA杂交链被破坏，DNA重新形成双螺旋的过程。原核生物和真核生物的转录终止机制存在显著差异。

2.1 原核生物转录终止机制

根据终止子所具有的结构特点以及在转录终止过程中是否需要辅助因子的参与，可将原核生物的转录终止机制分为两类：不依赖ρ因子的转录终止(强终止子)和依赖ρ因子的转录终止(弱终止子)。

不依赖ρ因子的终止机制主要依赖于终止子转录产物的3’端形成的特定发夹二级结构，该结构可以阻碍RNA聚合酶的持续移动(图1)。

图1 原核生物不依赖ρ因子的转录终止

依赖ρ因子的终止机制需要ρ因子的协助(图2)。ρ因子是一种同源六聚体蛋白质，能够识别ρ因子利用位点(rho utilization site, Rut位点)。当RNA聚合酶在转录过程中暂停时，ρ因子会追上并与RNA聚合酶相互作用，诱导RNA聚合酶发生构象变化，最终促使RNA链从模板上释放，完成转录终止。

图2 原核生物依赖ρ因子的转录终止

综上所述，不依赖ρ因子的终止方式是通过强终止子形成的茎环结构实现的；依赖ρ因子的终止则由ρ因子识别Rus位点。这两种机制虽然存在一定的差异，但都需要DNA上终止子的参与。

2.2 真核生物转录终止机制

真核生物细胞内有多种RNA聚合酶(RNA polymerase, 简称RNA pol),它们功能有所差异(表1),所催化的基因转录终止方式也不尽相同。

表1 真核细胞5种RNA pol结构和功能的比较

名称	细胞中 的定位	组成	功能
RNA pol Ⅰ	核仁	多个亚基组成	rRNA的合成(除了5SrRNA)
RNA pol Ⅱ	核质	多个亚基组成	mRNA,具有帽子结构的snRMA的合成
RNA pol Ⅲ	核质	多个亚基组成	小分子RNA(例如tRNA、 5S RNA),没有帽子结构的 SnRNA, 7SL RNA,端粒酶RNA,某些病毒的RNA等合成
线粒体 RNA Po1	线粒体基质	单体酶	线粒体RNA的合成
叶绿体 RNA po1	叶绿体基质	类似于原核细胞	叶绿体RNA的合成

2.2.1 RNA聚合酶Ⅰ介导的转录终止机制 RNA pol

Ⅰ所催化的基因转录终止于一个由18个核苷酸(nt)组成的终止子区域，需要转录终止因子的辅助。

2.2.2 RNA聚合酶Ⅲ转录终止机制

RNA pol Ⅲ的转录终止与原核生物不需要ρ因子的终止机制相似，需要一段富含GC的序列和一串U。但真核生物中U的长度短于原核生物，且富含GC区域不需要形成茎环结构。

2.2.3 RNA聚合酶Ⅱ介导的转录终止机制

真核生物mRNA的转录是由RNA pol Ⅱ负责的。因此，相比其他几种RNA pol, RNA pol Ⅱ在中学教学中更为常见，也更加重要。目前关于RNA pol Ⅱ所催化的基因转录终止机制尚不完全清楚，主流观点有两种：变构模型(The allosteric model)和鱼雷模型(The torpedo model)(图3)。

图3 真核生物转录终止的两种机制
注：A The allosteric model B The torpedo model。

目前认为，由RNA pol Ⅱ所催化的基因转录终止过程中，加尾信号是核心元件。该信号的RNA序列为AAUAAA(对应DNA模板序列TTATTT)是与真核生物加尾有关的最重要的顺式元件，通常被称为真核生物mRNA转录的“加尾信号”。真核生物转录出一段包含加尾信号的mRNA后，细胞核中的核酸酶会在加尾信号处剪断mRNA分子，并立即添加上一条多聚腺苷酸尾巴(poly A tail),从而完成转录过程。可以说，真核生物mRNA的加尾修饰与转录终止是前后紧密相连的两个连续发生的过程，加尾修饰直接导致了转录过程的终止。

3 真核生物转录终止机制名称的讨论

从上面的分析不难看出，真核生物rRNA(由RNA pol Ⅰ转录)和tRNA等小分子RNA(由RNA pol Ⅲ转录)的转录终止机制与原核生物相似，需要“终止子”的参与。然而，由RNA pol Ⅱ负责转录的真核生物mRNA,其转录终止的机制则截然不同。真核生物mRNA模板上的TTATTT序列的核心功能是为作为“加尾信号”,对mRNA的3’端进行加尾修饰，该序列本身并不能起到终止转录的作用，真正的终止作用由细胞核中的核酸酶剪切来完成。因此，不能将TTATTT序列称为“终止子”。由此可见，真核生物mRNA的转录终止不需要类似原核生物的“终止子”结构，但必须具备一段包含“加尾信号”的元件。

“终止子”与“加尾信号”存在三个方面的根本差异：①序列不同，这一点是显而易见的。②结构不同。“终止子”依赖转录产物形成“发夹”状结构，但“加尾信号”不需要。③功能不同。“终止子”负责转录终止，但“加尾信号”负责对mRNA的3’末端进行加尾修饰，间接导致转录终止。

4 讨论

4.1 对教材及教参编写的建议

各版本高中教材中都表达了相同的观点：真核生物与原核生物的转录终止都必须依靠“终止子”,因而在构建基因表达载体时，“终止子”是必备的元件之一。根据本文前期内容所述，真核生物中以RNA pol Ⅱ介导的mRNA的转录终止并不需要“终止子”的参与。

为此，笔者提出修改建议：首先，弱化教材中关于转录终止的绝对化描述。其次，部分教材，如人教版选择性必修3在以实例“构建抗虫棉的基因表达载体构建”介绍基因表达载体构建时，可以适当扩充相关内容，增加真核生物、原核生物转录终止机制的相关资料。这样有助于学生灵活地根据实际情境，对“终止子”元件是否为必需元件，进行批判性思考，从而因地制宜地正确构建相应的基因表达载体。

部分教材，如人教版选择性必修3教师教学用书第3章第2节基因工程的基本操作程序中提到，为确保转录顺利终止，需在构建基因表达载体时尽量去除衰减子、加入抗终止子序列元件。但是并未详细阐明“终止子”究竟是如何终止转录的，更未涉及真核原核转录终止机制的差异。为此，笔者建议：教师用书在此章节应详细列举真核生物、原核生物构建基因表达载体的全过程，特别是针对真核、原核生物基因表达载体构建时，转录终止元件可以进行差异化说明。

4.2 对教师教学的建议

“终止子”属于基因表达载体的构建教学中的重要范畴。在定义“终止子”时，要明确只有核心功能为终止转录的DNA序列才能称为“终止子”。在转录产物为mRNA的原核生物和真核生物的转录终止机制的讲授中，建议教师补充转录终止机制的相关资料，使学生明确原核生物的转录终止依靠一段能形成茎环结构的DNA序列(终止子),而真核生物mRNA的转录终止则是依靠加尾修饰作用，随后由细胞核中的核酸酶来完成切割。通过对比讲解，学生可以理解真核生物mRNA加尾修饰点的核心功能并不是指导转录终止，因此这段特殊的DNA序列不能称为“终止子”,进而得出结论：真核生物的转录终止不需要“终止子”,而是需要一段“加尾信号”。最后，教师呈现不同的基因表达载体构建的情境，引导学生思考不同情境下基因表达载体各种元件的选择，分析“终止子”是否为必备元件。这不仅帮助学生正确地构建基因表达载体，同时也使学生的批判性思维得到发展。